SnO2基氣敏傳感器的制備與研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)各種自然資源的消耗日益增加，環(huán)境污染也愈發(fā)嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)大規(guī)模的霧霾天氣頻發(fā)也在提醒著人們環(huán)境治理的刻不容緩。與此同時(shí)，對(duì)周圍環(huán)境有害氣體濃度變化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并公開，也能讓人們規(guī)避突發(fā)氣體泄漏和污染事件，保護(hù)身體健康。因此，研究與開發(fā)理想的氣體傳感器是當(dāng)前研究的重要課題之一。SnO2作為目前應(yīng)用最廣泛的氣敏材料，具有耐熱性、耐蝕性、材料成本低及對(duì)多種氣體都有良好響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也有工作溫度高、選擇性差等缺點(diǎn)需要解決。高

2、工作溫度不但會(huì)使氣敏傳感器的能耗增大，穩(wěn)定性下降，而且若使用環(huán)境中爆炸性氣體濃度較高，傳感器工作溫度過高還會(huì)成為爆炸源，引起危險(xiǎn)。因此，低溫半導(dǎo)體氧化物傳感器，尤其是室溫傳感器的研制具有重要意義。氣敏反應(yīng)是發(fā)生在SnO2表面的氣-固界面上的化學(xué)反應(yīng)，SnO2表面的組成、微結(jié)構(gòu)、表面缺陷、表面摻雜等對(duì)氣敏性能都有重要的影響。因此研究各種因素對(duì)材料氣敏性質(zhì)的影響對(duì)制備性能優(yōu)良的氣敏材料具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過溶膠凝膠旋涂法制備了SnO2

3、薄膜，通過在不同氣氛下的燒結(jié)對(duì)SnO2顆粒大小和表面缺陷進(jìn)行調(diào)控，得到了低工作溫度(100℃)高靈敏度的NO2氣敏傳感器。借鑒不同氣氛燒結(jié)對(duì)氣敏性能的影響，我們利用溶劑熱壓方法制備了Pt負(fù)載的SnO2多孔納米固體，在N2中退火得到了高響應(yīng)的室溫CO氣敏傳感器。為了更好地理解表面氧空位對(duì)SnO2薄膜氣敏響應(yīng)的影響，我們對(duì)NO2在不同的SnO2(110)面的吸附進(jìn)行了理論計(jì)算。主要內(nèi)容如下：
　　⑴以氯化亞錫為原料，乙醇為溶劑，甘油為

4、穩(wěn)定劑，溶膠凝膠旋涂法制備了成膜良好的SnO2多孔納米薄膜。通過在不同氣氛中（空氣、氮?dú)?、氧氣）燒結(jié)得到了不同大?。ǖ?dú)猓究諝猓狙鯕猓┑念w粒組成的SnO2薄膜，XPS測(cè)試結(jié)果表明燒結(jié)氣氛也對(duì)表面的氧含量有很大影響。通過對(duì)SnO2薄膜的氣敏性能測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)O2中燒結(jié)得到的SnO2薄膜對(duì)NO2的響應(yīng)最高，有較好的穩(wěn)定性和選擇性。這是因?yàn)樵贠2中燒結(jié)得到的SnO2薄膜顆粒粒徑最小(5.3 nm)，比表面積最大，表面有大量的缺陷和懸鍵可供NO

5、2吸附。同時(shí)根據(jù)氣敏響應(yīng)的尺寸效應(yīng)，當(dāng)顆粒粒徑小于2倍的德拜長(zhǎng)度時(shí)氣敏響應(yīng)也會(huì)有突升。而N2中燒結(jié)的樣品由于表面氧空位的增多，較空氣中燒結(jié)的薄膜對(duì)NO2有更好的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明不同的燒結(jié)氣氛對(duì)溶膠凝膠法制備的SnO2薄膜的形貌和顆粒粒徑有很大影響。進(jìn)一步地，我們?cè)诟邏旱獨(dú)鈱?duì)薄膜進(jìn)行燒結(jié)，得到了生長(zhǎng)有片狀SnO和SnO2納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，并且通過實(shí)驗(yàn)證明制備溶膠時(shí)加入的甘油和高壓N2在片狀SnO的形成中起了關(guān)鍵作用，并討論了形成機(jī)理。

6、
　?、埔匀軇釅悍椒ㄖ苽淞薙nO2多孔納米固體，浸漬負(fù)載了微量Pt，借鑒前面的經(jīng)驗(yàn)，通過在N2中退火成功制備了具有高響應(yīng)和良好選擇性的室溫CO氣敏傳感器。N2中退火的傳感器性能優(yōu)于空氣中退火的傳感器，是由于前者低價(jià)態(tài)Pt含量較高，能更好的催化O2分子在SnO2表面的分解吸附，同時(shí)在N2中退火使SnO2表面有更多的氧空位作為氧的吸附位點(diǎn)，XPS也證實(shí)了N2中退火的樣品表面有更多的吸附氧，而CO的氣敏反應(yīng)主要是與SnO2表面吸附氧發(fā)

7、生反應(yīng)，所以N2中燒結(jié)的傳感器會(huì)有更高的響應(yīng)。通過對(duì)退火溫度、Pt的負(fù)載量以及SnO2多孔納米固體的厚度等制備條件進(jìn)行優(yōu)化，得到了室溫下對(duì)100ppm的CO氣體的最高響應(yīng)為64.5的Pt負(fù)載SnO2多孔納米固體氣敏傳感器。最后我們結(jié)合霍爾效應(yīng)測(cè)試的結(jié)果，討論了Pt負(fù)載SnO2多孔納米固體氣敏傳感器對(duì)CO的氣敏機(jī)理?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，Pt負(fù)載SnO2多孔納米固體可作為工業(yè)化使用的潛在材料應(yīng)用于制備高響應(yīng)和選擇性良好的室溫CO氣敏傳感器。

8、
　?、菫榱烁玫乩斫獗砻鏄?gòu)型對(duì)SnO2氣敏性質(zhì)的影響，我們通過密度泛函方法計(jì)算了NO2分子在三種不同的SnO2(110)表面的吸附過程，包括化學(xué)計(jì)量表面、有氧空位的表面、以及在空位處吸附了一個(gè)氧分子的表面。通過計(jì)算，我們得到了對(duì)于不同類型的表面比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在化學(xué)計(jì)量表面，NO2更容易通過單鍵或者NO3結(jié)構(gòu)吸附到橋連氧原子上。在有橋氧空位存在的表面上，NO2分子的一個(gè)O原子填在橋氧空位并且另一個(gè)O原子與最近的五配位Sn作用時(shí)最